PT1330659E - Método e dispositivo para dissolver material sólido hiperpolarizado para análise por rmn - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "MÉTODO E DISPOSITIVO PARA DISSOLVER MATERIAL SÓLIDO HIPERPOLARIZADO PARA ANÁLISE POR RMN"

Campo da Invenção A presente invenção refere-se a um dispositivo e método para dissolver materiais sólidos polarizados retendo, ao mesmo tempo, um elevado nivel de polarização. Técnica Anterior A presente invenção refere-se à análise por ressonância magnética nuclear (RMN), particularmente a imagiologia de ressonância magnética nuclear (MRI) e espectroscopia analítica de RMN de alta resolução. A MRI é um diagnóstico técnico que se tornou particularmente atractivo para os médicos dado que é não invasivo e não envolve a exposição do doente em estudo a radiação potencialmente perigosa, tal como raios X. A espectroscopia analítica de RMN de alta resolução é rotineiramente utilizada na determinação de estruturas moleculares. A MRI e a espectroscopia de RMN têm falta de sensibilidade devido à polarização normalmente extremamente baixa dos spins nucleares dos materiais utilizados. Existe um certo número de técnicas que aumentam a polarização dos spins nucleares na fase sólida. Estas técnicas são conhecidas como técnicas de 1 hiperpolarização e conduzem a um aumento da sensibilidade. Contudo, de maneira a explorar o sinal de RMN em imagiologia médica in vivo, o material polarizado tem que ser colocado em solução ou em fase liquida antes de ser introduzido no objecto de imagiologia. Para a espectroscopia analítica de RMN in vitro, pode também ser vantajoso colocar o material sólido polarizado em solução. Existe o problema de que o material sólido polarizado tem que ser colocado em solução ou fase líquida e transferido para o magneto de RMN com uma perda minima de polarização. 0 pedido de patente n°. WO9935508 (que descreve um dispositivo de acordo com o preâmbulo da reivindicação 1) menciona um método para dissolver material sólido polarizado. Neste método o material sólido polarizado era manualmente levantado do criostato e, no espaço de 1 segundo, dissolvido em óxido de deutério a 40 °C, ao mesmo tempo que estando sujeito a um campo magnético de 0,4 T. Este método aumenta a polarização num factor de até 21, em comparação com outros métodos de produção de uma solução contendo material polarizado. Contudo, este método possui a desvantagem de, dado que a amostra é movida manualmente, ser dificil conseguir resultados reprodutíveis. O objectivo da presente invenção é o de proporcionar métodos e dispositivos para melhorar o método da técnica anterior, para produzir uma solução contendo material polarizado.

Sumário da Invenção

De acordo com a presente invenção, pelo menos, alguns dos problemas da técnica anterior são resolvidos por meio de um dispositivo que possui as caracteristicas presentes na parte caracterizante da reivindicação 1 independente. Um método que faz utilização de um tal dispositivo está definido na 2 reivindicação 7. Em particular, a presente invenção proporciona um método e um meio para trazer material sólido polarizado de uma unidade de polarização para uma solução ou fase liquida, com perda minima de polarização. São descritos dispositivos e métodos para produzir soluções de materiais hiperpolarizados dissolvidos, e. g. agentes de contraste ou amostras analíticas.

Outros dispositivos e métodos melhorados possuem as caracteristicas mencionadas nas reivindicações dependentes.

De acordo com a invenção, um dispositivo de polarização e um dispositivo de dissolução são combinados num único instrumento, de modo a que o tempo de transporte entre ser polarizado e dissolvido é minimizado e a perda de polarização da amostra é minimizada. Numa forma de realização especialmente preferida da invenção a unidade de polarização e a câmara de dissolução estão combinadas com um espectrómetro de RMN e/ou um sistema de imagiologia de RMN de modo a que o tempo entre a amostra ser dissolvida e analisada é minimizada e a perda de polarização da amostra é minimizada. De acordo com a presente invenção, a polarização pode ser conseguida por utilização de um agente de polarização, e. g. um composto compreendendo radicais livres orgânicos paramagnéticos os dados de RMN obtidos pela utilização dos dispositivos e métodos de acordo com a presente invenção podem ser dados de imagiologia de RMN e/ou dados de espectroscopia de RMN. 3

Breve descrição das Figuras A Figura 1 mostra uma vista lateral esquemática de uma forma de realização de um dispositivo de acordo com a presente invenção; A Figura 2 mostra uma vista lateral esquemática de uma forma de realização de um dispositivo de acordo com a presente invenção; A Figura 3 mostra esquematicamente uma secção de um dispositivo para injectar solvente quente; A Figura 4 mostra uma forma de realização de um recipiente de retenção da amostra; A Figura 5 mostra esquematicamente uma vista lateral de um dispositivo para produzir materiais hiperpolarizados por DNP, em interface com um espectrómetro de RMN; e A Figura 6 mostra esquematicamente uma forma de realização de um circuito de medição por ressonância magnética.

Descrição Detalhada de Formas de Realização Ilustrando a Invenção

Nos métodos e dispositivos de acordo com a presente invenção, uma amostra sólida do material a ser polarizado é polarizada, ainda na fase sólida, através de polarização nuclear dinâmica, ao mesmo tempo que é mantida a baixa temperatura (e. g. abaixo de 100 K) num forte campo magnético (e. g. 1-25 4 Τ) . Após ο material sólido ter sido polarizado, este é colocado em solução com uma perda minima de polarização. No que se segue, a expressão "unidade para material polarizado dissolvido" considera-se que significa o seguinte: um recipiente em que o material polarizado dissolvido pode ser armazenado. A expressão "dissolvido" significa que as moléculas de uma substância referida como estando dissolvida num solvente estão homogeneamente distribuídas no referido solvente.

De acordo com a presente invenção a dissolução ocorre no mesmo equipamento que contém o dispositivo de polarização.

Numa outra forma de realização da presente invenção a solução de material polarizado é feita e utilizada enquanto está retida num dispositivo combinado de polarização, dissolução e análise por RMN.

Numa outra forma de realização da presente invenção, o material é polarizado num equipamento de polarização na vizinhança de um espectrómetro de PMN, o material polarizado é dissolvido no equipamento de polarização e, então, rapidamente transferido para a região de análise do espectrómetro de RMN. A vantagem da invenção descrita é a de que esta proporciona meios para colocar material sólido polarizado em solução com uma perda minima de polarização de modo repetível. Isto é crucial para a utilização de técnicas de hiperpolarização em estado sólido em imagiologia médica e em espectroscopia analítica in vitro de RMN de alta resolução. Em solução, as linhas de RMN são estreitas. Isto melhora consideravelmente a razão sinal-ruido, a resolução espectral e, também, origina vantagens técnicas, uma 5 vez que a amostra não tem que rodar tal como para as amostras sólidas.

Para a maior parte dos materiais sólidos a velocidade de relaxação (perda de polarização se hiperpolarizados) aumenta rapidamente em função do inverso da força do campo. Por isso, para estes materiais polarizados é preferido que sejam mantidos num forte campo magnético (e. g. superior a 0,1 T) enquanto estão a ser manuseados. Outras razões para a perda de polarização são também conhecidas, e. g. alterações súbitas da orientação do campo magnético, fortes gradientes magnéticos, ou campos de radiofrequência, e estas devem ser evitadas tanto quanto possível. A dissolução do material polarizado pode ser promovida através de vários métodos. Quando possível, o material sólido pode ser proporcionado sob a forma de um pó finamente dividido, de modo a permitir uma rápida dispersão e um contacto íntimo das partículas sólidas com o solvente. As partículas sólidas (ou esferas) e o solvente podem ser vigorosamente agitados através de agitação, mistura, movimentação rápida, borbulhamento, esmagamento, sonicação, aquecimento por microondas, irradiação de laser ou quaisquer outros meios que proporcionem agitação e, opcionalmente, aquecimento. A temperatura do solvente pode ser optimizada para o material particular, de modo a proporcionar a dissolução mais rápida possível sem provocar uma relaxação desnecessária. A velocidade de relaxação como função da temperatura e do campo é única para cada material sólido e sistema solvente/soluto. É, por isso, também vantajoso quando a temperatura do solvente é optimizada para uma relaxação mínima do material real a ser dissolvido. Em geral, mas não sempre, o campo magnético deve ser tão forte quanto possível, Isto aplica-se também à amostra líquida durante 6 o processo de dissolução. A Ti mínima durante o processo aumentará, geralmente, com o aumento do campo magnético.

De acordo com a presente invenção, é proporcionado um dispositivo para dissolver um material sólido polarizado num sistema de polarização nuclear dinâmico (DNP). Este sistema DNP compreende um magneto, com uma força de campo de 0,1-25 T ou mais, que é colocado num criostato de baixa perda, de modo a conseguirem-se tempos de manutenção criogénica óptimos. Para campos magnéticos acima de cerca de 2T, o magneto pode ser supercondutor. Para campos mais baixos podem ser preferidos magnetos mais simples. Um sistema DNP especialmente preferido consiste num magneto supercondutor concebifdo para uma força de campo de 2-25 T. O magneto é colocado num criostato de perda ultra baixa para se conseguir um tempo de manutenção criogénica óptimo. A homogeneidade do campo requerida é dependente da amostra, mas tem que ser, tipicamente, +/- 0,2 mT ao longo do volume da amostra. Isto pode ser conseguido proporcionando um espaçador de campo mesmo para amostras grandes. De forma correspondente, a estabilidade do campo durante a polarização deve ser melhor que o critério de homogeneidade, i. e. a deriva do campo deve ser inferior à não homogeneidade. O magneto é desenhado para acomodar um espaço de baixa temperatura para arrefecer a amostra. O criostato de magneto supercondutor preferido é, de um modo preferido, proporcionado com um banho de hélio bombeado ou, pelo menos, um espaço frio no interior do magneto. O banho de hélio pode ser contido num tubo que é termicamente isolado (e. g. isolado por vácuo) do reservatório de hélio do magneto mas ligado a este através de um capilar, para permitir o enchimento a partir do reservatório do magneto. O espaço de baixa temperatura pode ser simplesmente um cilindro (de parede dupla feito de aço inox ou de cobre ou outro material 7 não magnético ou combinações destes) com a extremidade inferior fechada. De modo a obterem-se as temperaturas mais baixas possíveis e o menor consumo criogénico, o espaço de baixa temperatura é, de um modo preferido, colocado em vácuo dentro do recipiente de hélio do magneto supercondutor e o cilindro de baixa temperatura pode, de um modo preferido, ser termicamente ancorado em locais apropriados no interior, por exemplo, na protecção arrefecida com vapor de hélio e na protecção arrefecida com azoto líquido ou semelhantes. 0 cilindro de baixa temperatura pode ser, de um modo preferido, ligado ao recipiente de hélio através de um capilar na sua base. 0 fluxo de hélio pode ser controlado através de uma válvula de agulha regulada do exterior, manualmente ou automaticamente, através de controlo por computador ou semelhante. 0 fluxo de hélio no banho de hélio pode ser controlado por uma válvula de agulha motorizada. 0 nível de líquido pode ser monitorizado, e.g. através de um medidor de resistência de carbono Allen Bradley, e a válvula de agulha controlada manualmente ou automaticamente para manter um nível fixo. De maneira a conseguir temperaturas muito baixas da ordem de 1 K (4He) , o banho pode ser bombeado e a temperatura do banho pode ser determinada através da pressão de vapor de hélio medida, por exemplo, através de um transdutor de capacitância absoluta ou um elemento de Pirani. Se arrefecido por gás, então a medição de temperatura pode ser utilizada para controlar a válvula de agulha. 0 criogénio, e. g. hélio ou azoto, pode ser, também, fornecido através de um reservatório externo. Os refrigeradores de ciclo fechado ("sem criogénio") podem ser também previstos, tanto para o arrefecimento do magneto como para o arrefecimento do espaço frio. A amostra é polarizada através de irradiação por microondas com a frequência adequada. Um dispositivo de microondas é proporcionado para irradiação. 0 dispositivo de microondas pode ser implementado de várias maneiras. Para frequências inferiores (inferiores a cerca de 200 GHz) pode ser utilizado um guia de ondas para guiar as ondas para o espaço da amostra. Para frequências maiores podem ser empregues métodos quasi-ópticos. O espaço da amostra é, de um modo preferido, construído como uma estrutura de microondas ressonante. A estrutura de microondas está, de um modo preferido, configurada para permitir uma fácil colocação e mudança das amostras e um eficiente arrefecimento das amostras. Uma vez polarizada, a amostra é dissolvida por meio de um dispositivo e método de acordo com a presente invenção, tal como descrito abaixo.

Numa forma de realização da presente invenção ilustrada esquematicamente na figura 1, a dissolução do material hiperpolarizado no recipiente 9 de retenção de amostra pode ser realizada enquanto o material está ainda dentro do dispositivo 1 criostático. Isto pode ser conseguido proporcionando um meio de introdução de solvente. Isto pode, por exemplo, ser conseguido fornecendo um gás a alta pressão ou fluido HP adequado, e. g. ar ou hélio ou solvente, à válvula 23, tal como mostrado nas linhas a ponteado na figura 1.

Um exemplo de um método que utiliza esta forma de realização da presente invenção para produzir uma solução de um material sólido que tenha sido polarizado no estado sólido possui os seguintes passos: o material sólido sob a forma de pó, grãos ou esferas é introduzido no recipiente 9 de retenção da amostra no fundo do tubo 7 de transporte da amostra; 9 o tubo 7 de transporte da amostra é introduzido no espaço interior 6 de modo a que o recipiente 9 de retenção da amostra fique posicionado num campo magnético com a força de campo necessária, sendo o espaço interior 6 estanque ao vácuo e esvaziado até à sua pressão de trabalho; o material sólido imóvel é hiperpolarizado; a unidade 15 para material dissolvido é parcialmente cheia com solvente; o espaço interior 6 é repressurizado à pressão atmosférica e a extremidade superior do tubo 10 de entrada de He é rompida; se o recipiente 9 de retenção da amostra está sob a superfície do hélio liquido no criostato então o tubo 7 de transporte da amostra é levantado até estar acima da superfície do hélio; a válvula 27 da saida 25 é fechada e a válvula 23 é ajustada de modo a ligar o corpo 16 ao fornecimento HP de gás ou liquido de alta pressão de modo a ocorrer uma sobrepressão no corpo 16. A válvula 14 é aberta. Esta conduz o solvente do corpo 16 a ser forçado para o tubo 7 de transporte de amostra. Uma vez que o volume de solvente suficiente, ou mais que suficiente, para dissolver o material sólido tenha sido entregue no tubo 7 de transporte de amostra, a válvula 23 é fechada. O solvente no tubo 7 de transporte de amostra entra em contacto e dissolve o material sólido hiperpolarizado no recipiente de retenção de amostra. Podem ser proporcionados meios de mistura, 10 remeximento ou agitação opcionais (não mostrados) a actuar no material no recipiente 9 de retenção de amostra de modo a acelerar a dissolução do material.

Se for desejado extrair então a solução do material hiperpolarizado dissolvido do criostato (em vez de o analisar in situ) a válvula 23 que conduz ao fornecimento de vácuo é então aberta de modo a que ocorra sobrepressão no corpo 16. Isto conduz à formação de sucção na extremidade do tubo 11 no tubo 7 de transporte de amostra e a um fluxo de He do tubo 10 de entrada de He através do tubo 11 para a unidade de material 15 dissolvido. Este fluxo de He suga a solução de material hiperpolarizado através do tubo 11 para o corpo 16 da unidade de material 15 polarizado dissolvido; após o material e o solvente terem entrado no corpo 16, a válvula 23 é fechada; um meio 17 de mistura, remeximento ou agitação na unidade de material dissolvido é opcional nesta forma de realização, mas se for proporcionado este pode, então, ser feito actuar durante um período de tempo pré-determinado, de modo a assegurar que o material sólido esteja completamente dissolvido; a solução do material hiperpolarizado pode ser então dispensada através da saída 25 por uma válvula 27 de abertura.

De um modo preferido, este método é automatizado, por exemplo, sendo controlado por computador (não mostrado) e são 11 proporcionados actuadores controlados por computador (não mostrados) para operar as válvulas e o meio de mistura, remeximento ou agitação.

Numa outra forma de realização da presente invenção pode ser adicionado um solvente ao recipiente 9 de retenção de amostra através de simples injecção do solvente na abertura superior do tubo 7 de transporte de amostra. A solução de solvente e de material polarizado dissolvido podem ser, então, aspirados de qualquer maneira adequada, ou a solução pode ser ejectada através de uma saida por injecção de mais solvente ou de um gás ou semelhantes.

Quando o material sólido polarizado é colocado em fase de solução dentro da unidade de polarização introduzindo o solvente na unidade de polarização de acordo com a presente invenção, o material sólido polarizado é dissolvido ao mesmo tempo que é mantido no forte campo magnético da unidade de polarização ou próximo da área de forte campo magnético do magneto. Se o material for polarizado num banho de hélio (ou azoto), o material pode ser levantado para escorrimento do liquido de arrefecimento antes da dissolução. A amostra experimentará ainda uma parte significativa do campo magnético da unidade de polarização. 0 solvente pode ser então introduzido no recipiente de retenção de amostra e misturado com o material sólido para dissolver rapidamente o sólido após o que a solução pode ser extractada com uma seringa (quer manualmente quer automaticamente) quer através de um sistema de fluxo, tal como descrito acima e injectada no item que vai ser sujeito a imagiologia ou simplesmente analisado através de RMN em solução. 12 Vários factores têm que ser tomados em consideração quando o material sólido polarizado é colocado em fase de solução dentro da unidade de polarização. Tal como mencionado acima, um factor é a perda de calor do liquido que entra na unidade de polarização, dado que é importante que não congele quando entra em contacto com o recipiente de retenção de amostra frio e o material sólido. Por isso a quantidade de solvente adicionada deve ter uma massa e capacidade de aquecimento especifico de modo a que esta possua suficiente energia térmica para evitar que congele quando está a dissolver o material sólido. A água é uma boa escolha para solvente devido à sua elevada capacidade de aquecimento especifico e à elevada energia latente de solidificação. É também o solvente de escolha por razões biológicas quando a amostra é para ser utilizada in vivo. Outros solventes adequados são tampões biológicos, tal como o acetato de Ringer. Quando a amostra é para ser analisada por espectroscopia de RMN ou espectroscopia analítica de RMN de alta resolução, é possível uma mais larga gama de solventes e é especialmente vantajoso utilizar água com aditivos anticongelantes, tal como o glicerol. Outro factor importante é o desenho da tubagem para introduzir o solvente e o desenho do recipiente de retenção da amostra. Materiais leves com fraca condutividade térmica e baixa capacidade de aquecimento específico são preferidos, de modo a que a perda de energia calorífica pelo solvente para a tubagem quando desce para a parte interna e a perda de energia para o recipiente de recepção de amostra são mantidas num mínimo. Materiais adequados típicos são o Teflon™, poliuretano, PEEK, Aerogel™ e Perlite™. Pode ser também útil utilizar tubagem de parede dupla (o tubo interior pode ser inserido imediatamente antes da adição de solvente). Adicionalmente pode ser vantajoso evacuar o espaço entre as paredes da tubagem de parede dupla. Os tubos podem ser prateados 13 ou revestidos com uma película isolante (por exemplo, Mylar TM aluminizado). Pode ser também vantajoso incluir um enrolamento de um fio de aquecimento por resistência ou uma película na tubagem para melhorar o meio de controlo da temperatura da amostra. Outro factor a ter em linha de conta é o material utilizado para a produção do tubo de transporte de amostra e qualquer suporte de amostra utilizado. Aplicam-se aqui os mesmos critérios de escolha de material que atrás mas os materiais cerâmicos podem ser aqui especialmente adequados. Por exemplo, pode ser útil utilizar um material cerâmico ou plástico em espuma que seja poroso de forma a que o hélio superfluido possa facilmente circular através das paredes do tubo de recepção de amostra e/ou do suporte da amostra para arrefecer o material sólido, ao mesmo tempo que água líquida ou outros solventes não podem circular através das paredes. Isto permite que o material seja arrefecido imergindo o recipiente de retenção de amostra sob a forma de um copo ou de um tubo com a extremidade fechada num banho de hélio líquido, e então levantando o recipiente acima da superfície do hélio líquido de modo a que o hélio líquido escorra dos poros do recipiente antes de se adicionar a água. Subsequente à dissolução da amostra, a amostra tem, no caso de aplicações in vivo, de ser extraída do suporte da amostra. Isto pode ser feito quer pelos métodos de acordo com a presente invenção descritos acima, e. g. por um sistema de fluxo em que o líquido é bombeado através do suporte da amostra, por sucção ou por pressurização do recipiente de amostra e recolha da solução polarizada fora da unidade de polarização numa unidade para dissolver material polarizado, por exemplo, numa seringa, de modo a que fique pronta para injecção no sujeito. É também concebível proporcionar o instrumento de RMN analítico no mesmo instrumento que a unidade de polarização e 14 unidade de dissolução. Isto é mostrado na figura 2, em que existe uma pluralidade de bobinas de análise 31-31'', i. e. bobinas de imagiologia por ressonância magnética e/ou bobinas de imagiologia por espectroscopia de ressonância magnética nuclear. As bobinas que podem ser utilizadas para espaçadores de campo e aquisição de sinal de RMN podem ser colocados em posições que são conhecidas de RMN de alta resolução. Neste caso a unidade para material polarizado dissolvido é a mesma que para o recipiente de retenção de amostra, e o tempo de transporte é de zero segundos. Isto é vantajoso, dado que neste caso não existe necessidade de mover a amostra para fora do campo magnético do magneto supercondutor quando se realiza a análise, i. e. imagiologia ou espectroscopia. Adicionalmente, a baixa temperatura de operação das bobinas imersas no hélio liquido aumenta a sua razão de sinal em relação ao ruido, num factor significativo (de mais do que 3). Os requisitos que dizem respeito à força do campo podem não ser idênticos para a polarização e a detecção por RMN, e podem ser proporcionados meios para mover uma amostra de uma parte do magneto para outra. A detecção por RMN pode ser feita vantajosamente com um campo inferior ou superior ao óptimo para o processo DNP. Uma implementação seria, por isso, aquela em que a polarização DNP é efectuada em hélio gasoso frio na extremidade inferior do magneto (i. e. num campo inferior, e. g. 3,35 T). 0 campo teria então que ser espaçado nesta área, para se obter a homogeneidade requerida. Após polarização, a amostra pode ser então levantada para o centro do magneto (que possui um campo superior, e. g. 9,4 T, e homogeneidade) para dissolução e detecção por RMN. Para além disso, a amostra pode ser levantada até um local intermédio para dissolução e então é movida para o centro do magneto para detecção por RMN. 15

Uma variação concebível da invenção é a incorporação de um suporte de amostra múltiplo no dispositivo de modo a que várias amostras possam ser polarizadas de uma vez, ou sequencialmente, e ser quer ejectadas ou dissolvidas uma a uma. É também concebível utilizar um sistema em que várias amostras são dissolvidas e analisadas simultaneamente. Tal como é óbvio para um especialista, um sistema de suporte de amostra múltiplo pode ser apresentado de muitas maneiras diferentes e. g. utilizando um suporte do tipo carrossel ou um suporte do tipo grelha. È também possível proporcionar equipamento de RMN da técnica anterior com um dispositivo de acordo com a presente invenção de modo a produzir um equipamento que pode produzir materiais com uma elevada polarização por DNP. De modo a fazer isto, o equipamento de RMN necessita de ser proporcionado com um espaço de baixa temperatura que esteja num campo magnético. De modo a conseguir isso, qualquer magneto de RMN comum que possua um espaço interior adequado suficientemente grande pode ser equipado com um criostato de fluxo e instrumentação, tal como descrito abaixo, de modo a permitir a produção de soluções de moléculas com uma polarização nuclear melhorada por DNP. Um criostato de fluxo é uma câmara isolada com vácuo que pode ser introduzida no espaço interior de um magneto, normalmente desenhado para ter uma temperatura ambiente no espaço interior, permitindo, deste modo, que a temperatura do espaço anterior seja baixada até uma corrente de um criogénio frio. 0 criostato de fluxo está usualmente ligado a um fornecimento de criogénio externo através de uma linha de transferência e o fluxo de criogénio para o criostato de fluxo arrefece o espaço interior do magneto e forma um espaço de baixa temperatura. 0 criostato de fluxo pode ser equipado com meios, descritos abaixo, para permitir a polarização de materiais sólidos por DNP e pode ser 16 equipado com instrumentação, descrita abaixo, para a detecção de sinais nucleares em estado sólido e em solução. Note-se que, em sistemas de DNP dedicados para análise de RMN ou produção de agentes de imagiologia hiperpolarizados, o espaço de baixa temperatura está, de um modo preferido, integrado no criostato do magneto. A forma de realização descrita acima descreve um dispositivo de DNP, que concretiza a presente invenção numa aproximação in situ (i. e. a polarização, dissolução e detecção por RMN são todos realizados no mesmo instrumento). Esta possui a desvantagem de os espectrómetros de RMN existentes não poderem ser facilmente reconfigurados para espectroscopia melhorada por DNP. De modo a ultrapassar isto, uma outra forma de realização da presente invenção será agora descrita e ilustrada na figura 5 em que um dispositivo 71 de DNP compreendendo uma unidade 72 de geração de campo magnético, e. g. magneto supercondutor, magneto permanente ou electromagneto, proporcionados com um espaço 73 interno frio em que uma amostra pode ser posicionada e em que podem estar presentes uma unidade de geração de microondas, consistindo de uma fonte 74 de microondas e um dispositivo 75 de guia das ondas, de modo a polarizar a amostra, está disposto na proximidade e conectável por uma linha 76 de transferência de material polarizado a um espectrómetro 77 de RMN. Além disso, as bobinas 78 de RMN podem, opcionalmente, estar presentes na unidade de DNP de modo a quantificar a magnetização da amostra no estado sólido e/ou em solução). A amostra polarizada é dissolvida in situ, tal como descrito acima (79 é a unidade para o material polarizado). Existe alguma flexibilidade no posicionamento do dispositivo de DNP em relação ao magneto de RMN. Contudo, é preferida uma distância tão curta quanto possível, de modo a reduzir o tempo de trânsito do material 17 polarizado dissolvido entre o dispositivo DNP e o espectrómetro de RMN. A vantagem desta configuração é a de que pode ser proporcionada como uma melhoria para os espectrómetros de RMN existentes. A reconfiguração do espectrómetro de RMN para a hiperpolarização DNP é rápida e fácil. As sondas de RMN existentes (sondas de fluxo) podem servir facilmente de interface e pode-se aproveitar totalmente a tecnologia corrente de RMN. A amostra de liquido polarizado deve deixar o dispositivo de DNP tão rápido quanto possivel e ser posicionado na região activa da sonda de fluxo para análise por RMN imediata e, por isso, é requerida uma temporização precisa de todo processo de polarização, dissolução, transporte e inicio da excitação/aquisição de dados por RMN uma vez que a amostra esteja no espectrómetro de RMN. Isto pode, convenientemente, ser controlado por computador de modo a assegurar que o tempo de trânsito do liquido e o atraso entre a sua chegada ao espectrómetro de RMN e o inicio da excitação/aquisição de dados por RMN é, preferencialmente, mais curto que o nuclear Ti. A Figura 3 mostra esquematicamente uma secção de um dispositivo 41 de aquecimento e injecção de solvente adequado para injectar solvente aquecido no recipiente de retenção de amostra, e. g. um copo de retenção de amostra num criostato. O dispositivo 41 de injecção e aquecimento do solvente compreende um recipiente 43 de pressão, capaz de resistir a pressões de, pelo menos, 2 x 105 Pa (2 bar) e, preferencialmente, 106 Pa (10 bar), recipiente 43 de pressão esse que pode ser aquecido através de meios de aquecimento, tal como uma serpentina 45 de aquecimento enrolada à volta do recipiente 43 de pressão e conectável através de um interruptor ou relé 46 a um fornecimento 47 de energia. O recipiente 43 de pressão é, de um modo preferido, termicamente isolado, por exemplo, através de 18 uma camisa 49 de isolamento que o envolve. 0 recipiente 43 de pressão é proporcionado com uma entrada 51, conectável através de um tubo 53 de entrada e uma válvula 55 de entrada a um fornecimento 57 de solvente, e uma saida 59 conectável, através de um tubo 61 de saida e uma válvula 63 de saida, a um recipiente de retenção de amostra (não mostrado). Um dispositivo sensivel à pressão, tal como um transdutor 65 de pressão é conectável ao dispositivo 41 de aquecimento e injecção de solvente, de modo a medir e, opcionalmente, apresentar a pressão no recipiente 43 de pressão. 0 dispositivo 41 de aquecimento e injecção de solvente, trabalha da seguinte maneira: com a válvula 63 de entrada fechada, a válvula 55 de entrada é aberta para permitir que uma quantidade suficiente de solvente dissolva a amostra polarizada que entra no recipiente 43 de pressão e então a válvula 55 é fechada; o interruptor 46 é fechado de modo a que a serpentina 45 de aquecimento fique ligada ao fornecimento 47 de energia e o solvente no recipiente 43 de pressão é aquecido; a elevação de temperatura provoca que o solvente comece a ferver e isto provoca que a pressão dentro do recipiente 43 de pressão se eleve; quando a pressão registada pelo transdutor 65 de pressão atinge um valor pré-determinado, e. g. 2 X 105 Pa (2 bar) ou 5 X 105 Pa (5 bar), que corresponde à temperatura necessária para dissolver a amostra, o fornecimento 47 de energia é desligado, a válvula 63 de saida é aberta e a pressão em excesso acima da pressão ambiente que está presente no recipiente 43 de pressão provoca que o solvente seja rapidamente ejectado através do tubo 61 de saida para o recipiente de retenção de amostra onde dissolve a amostra. 19

Tal como mostrado através das linhas a tracejado, de um modo preferido, as válvulas 55 e 63, o transdutor 65 de pressão e a serpentina 45 de aquecimento estão ligados a meios de controlo, tais como o computador 67. 0 computador 67 é, de um modo preferido, proporcionado com software para controlar o aquecimento do solvente e o dispositivo 41 de injecção e, se aplicável, para controlar meios para remoção da amostra polarizada dissolvida do recipiente de retenção de amostra.

Um suporte de amostra e uma estrutura de microondas adequada podem ser colocados no espaço frio, de modo a conseguir a irradiação por microondas da amostra. A estrutura de microondas pode ser uma antena de corneta ou uma câmara ligada à extremidade de um guia de ondas (tal como mostrado na figura 4) ou um conjunto de espelhos Fabry-Perot, ou qualquer outra estrutura de irradiação de microondas adequada. A estrutura de microondas é, de um modo preferido, concebida para actuar como câmara de ressonância para microondas de modo a aumentar a força do campo de microondas na estrutura de microondas. Para as frequências mais baixas (inferiores a cerca de 200 GHz) os guias de onda podem ser convenientemente utilizados para guiarem as ondas para a estrutura de irradiação. A geometria e as dimensões do guia de ondas são escolhidas de modo a reduzir a perda de microondas. De um modo preferido, o guia de ondas é desenhado de modo a ter uma carga térmica para o espaço de baixa temperatura tão baixa quanto possível, e pode ser feita, por exemplo, de aço inoxidável com parede fina plaqueada com prata. Podem também ser utilizadas ondas guias onduladas. A frequências mais elevadas podem ser utilizados métodos quasi-ópticos e as microondas podem ser guiadas com lentes e espelhos. A estrutura de microondas possui, de um modo preferido, aberturas para permitir uma fácil 20 troca da amostra e um eficiente arrefecimento da amostra. Um oscilador de microondas adequado gera as microondas, e. g. um oscilador de diodo IMPATT, ou um oscilador Gunn amplificado com IMPATT, ou um BWO ou semelhantes. Para além disso, o oscilador de microondas pode ser uma parte integrada da estrutura ressonante para irradiar a amostra. Deste modo, o dispositivo activo que produz as microondas pode estar colocado fisicamente no magneto, próximo da amostra, com o que as perdas por transmissão seriam reduzidas. A Figura 4 mostra uma vista em perspectiva de parte de uma forma de realização de um meio 3 de polarização que se pretende instalar dentro do criostato de um sistema DNP. Este compreende uma câmara 3a de microondas, ligada por um guia 3b de ondas a uma fonte de energia de microondas (não mostrada). A câmara 3a possui uma parede 3d externa substancialmente cilíndrica, uma placa 3e da extremidade superior e uma placa 3f da extremidade inferior. A câmara 3a é feita de um material reflector de microondas tal como latão. A placa 3e da extremidade superior possui uma abertura 3g circular central com um diâmetro adaptado para permitir que um copo 9 de retenção de amostra (não mostrado) passe para a câmara 3a. As placas 3e, 3f superior e inferior possuem uma pluralidade de separadores 3h que são cobertos com uma malha 3i de reflexão de microondas que permite que o hélio líquido entre na câmara 3a enquanto que evita que as

microondas saiam da câmara 3a através dos separadores 3h. A câmara 3a é montada na extremidade inferior 3j do guia de ondas 3b e uma abertura 3k na parede 3d da câmara 3a é alinhada com uma abertura 31 semelhante na extremidade inferior 3j do guia de ondas 3b, de modo a permitir que as microondas passem do guia de ondas 3b para a câmara 3a. As dimensões das aberturas 3k, 31 estão adaptadas para optimizar o fluxo das microondas para 21 dentro da câmara 3a. Por exemplo, se o diâmetro interior da câmara for de 28 mm, a altura interior é de 28 mm e a largura interna do guia de ondas é de 7 mm, então as aberturas podem ter 5-10 mm de altura e 2-7 mm de largura. A extremidade inferior 3j do guia de ondas 3b é afunilada em direcção ao fundo, de modo a actuar como reflector de microondas para aumentar a quantidade de energia de microondas ligada à câmara 3a. Ângulos adequados de afunilamento dependem das dimensões do guia de ondas, da frequência de microondas utilizadas e das dimensões das aberturas 31, 31, mas podem ser de cerca de 5o a 60°, mas de um modo preferido, de 15° a 30°. As dimensões da câmara 3a, do guia de ondas 3b, das aberturas 3k, 31 são adaptadas de modo a que a câmara 3a actue como câmara de ressonância para a energia de microondas. De modo a medir a polarização de uma amostra contida no copo de retenção de amostra, a câmara pode ser, opcionalmente, proporcionada com uma bobina 51 central de RMN. Isto pode ser adequadamente feito com um cilindro 53 feito de PTFE proporcionado com, dependendo da orientação do campo estático, bobinas de cobre de forma helicoidal ou de sela (não mostrados) e ligados a meios sensores adequados.

Nesta forma de realização, uma amostra é colocada num copo 9 de retenção de amostra e o recipiente de retenção de amostra é baixado para o centro da câmara 3a (dentro da bobina de recolha se houver bobina de recolha). A fonte de radiação de microondas é activada e a amostra é irradiada. Esta pode ser dissolvida in situ no criostato e a amostra polarizada dissolvida mantida na unidade, para dissolver material polarizado, ou algum outro recipiente (e. g. o copo de retenção de amostra) num forte campo magnético, até ser necessário. 22 A placa 3f da extremidade inferior da câmara pode ter um orifício central 3m com o mesmo diâmetro que o do copo 9 de retenção de amostra. Isto permite que o copo 9 de retenção de amostra seja baixado através da câmara 3a e para fora da parte inferior desta. Pode ser proporcionado um recipiente de retenção de amostra com uma pluralidade de copos de retenção de amostra separados verticalmente. Estes copos podem ter, cada um, a altura da câmara 3a ou uma fracção desta. Se estes forem da mesma altura que a câmara 3a então seria possível expor uma primeira amostra num copo de microondas na câmara 3a enquanto uma segunda amostra num segundo copo é posicionada fora da câmara, mais ainda assim muito próxima do forte campo magnético. Quando a primeira amostra está suficientemente polarizada o recipiente de retenção de amostra pode ser movido verticalmente de modo a que a segunda amostra no segundo copo esteja dentro da câmara 3a e a primeira amostra polarizada no primeiro copo seja mantida polarizada no campo magnético fora da câmara 3a. Isto pode ser repetido até todas as amostras terem sido polarizadas, então todas as amostras podem ser dissolvidas ao mesmo tempo, utilizando um dispositivo, ou uma pluralidade de dispositivos, para extrair material do tubo de transporte de amostra. Alternativamente, cada amostra polarizada pode ser dissolvida de cada vez e ser quer armazenada em fase líquida no seu copo (que é, por isso, uma unidade para material polarizado dissolvido) no forte campo magnético na unidade de DNP quer noutra unidade para material polarizado dissolvido no campo magnético de um dispositivo de imagiologia ou espectrometria. A detecção por RMN é particularmente desejável para aplicações analíticas. Para outras aplicações a detecção por RMN proporciona, opcionalmente, uma medição da polarização nuclear. A bobina de detecção por RMN pode ter qualquer concepção 23 conhecida, e. g. solenoide ou em forma de sela. Usualmente a bobina (indutância) é sintonizada para a frequência de RMN com um condensador e feito corresponder à impedância caracteristica da cablagem. A bobina de RMN pode ser sintonizada e feita corresponder a um certo número de frequências de modo a detectar os núcleos de interesse. Os condensadores podem ser montados próximo da bobina no espaço frio. Isto permitiria que fossem obtidos os mais elevados valores Q. No caso de não ser prático possuir condensadores próximos da bobina, então estes podem ser colocados no exterior do espaço frio da bobina e ligados ao espaço de baixa temperatura através de uma linha de transmissão. A linha de transmissão pode ser coaxial, em par enrolado, em faixa ou qualquer outra cablagem adequada. A escolha será um compromisso entre a carga térmica do espaço frio e a atenuação de sinal. Podem também ser previstos várias bobinas. Estas podem ser sintonizadas para duas frequências de RMN e permitirão RMN de ressonância dupla (desacoplamento, polarização cruzada, etc) a ser realizada tanto em fase sólida como em fase liquida. Isto permitirá também a detecção simultânea de núcleos de mais do que uma espécie nuclear. 0 espectrómetro terá então receptores múltiplos. Opcionalmente, o sinal de RMN de vários núcleos será adquirido sequencialmente. De modo a permitir que sejam analisadas amostras múltiplas num curto espaço de tempo, pode ser proporcionado um carrossel de amostras para mover as amostras. Adicionalmente, a dissolução do material sólido pode ser detectado através de meios ópticos, como, de modo a realizar uma análise de RMN reprodutível, é importante que o material a ser examinado seja homogeneamente dissolvido. Isto pode ser confirmado utilizando meios ópticos de fotodetecção opcionais, dentro ou fora da câmara analítica de RMN. Uma vez que qualquer um dos núcleos com interesse pode ter valores Ti muito curtos, pode ser importante assegurar a análise logo que o processo de 24 dissolução tenha acabado. É, por isso, preferível possuir meios preparados para a excitação coincidente/detecção de todos os núcleos de interesse. Se o circuito de detecção de RMN for arrefecido, obtém-se então uma melhor razão sinal-ruído. Para além disso, o arrefecimento do amplificador de sinal é, frequentemente, vantajoso. Consequentemente o amplificador de sinal pode estar posicionado próximo do circuito de detecção por RMN e, de um modo preferido, no espaço frio. Bobinas supercondutoras de detectores SQUID são outros dispositivos que estão disponíveis para melhorar a razão de sinal-ruído.

Um circuito simples e barato que pode ser utilizado para medições de polarização simples é mostrado na figura 6. 0 dispositivo é um simples espectrómetro de ressonância magnética de radiofrequência. Um tal dispositivo pode ser utilizado para determinar a polarização do material de amostra sólido antes de este ser dissolvido e utiliza qualquer uma das bobinas de detecção previamente descritas. O circuito RF consiste de um VCO (oscilador de voltagem controlada) 81, um acoplador 83 direccional, um híbrido 85 de 180 graus, um misturador 87, um LNA (amplificador de baixo ruído) 89, um filtro 91 de baixa passagem, uma placa 93 de aquisição de dados para PC, e bobinas 95 sintonizados e em correspondência com MR (ou excitação) (originando o campo magnético Bi) disposto para proporcionar um campo transversal praticamente uniforme em relação à direcção do campo estático B0 das bobinas 97 de campo estático. As bobinas 95 são sintonizados na frequência MR e em correspondência com as características de impedância da linha de transmissão (e. g. 50Ω) . O VCO 81 (ou gerador de função) gera um sinal de onda contínuo que é dividido pelo acoplador 83 direccional (divisor) em dois sinais, o que acciona o oscilador local do misturador 87 e o outro para o híbrido 85 de 180 graus alimentando a bobina 95 25 MR. Podem ser utilizados atenuadores fixos (não mostrados) para ajustar os níveis de sinal. 0 VCO 81 deve ser capaz de modulado em relação à frequência ao longo de uma gama frequências suficiente para cobrir a gama de espectros interesse. A taxa de modulação pode ser tipicamente de 5-50 Hz, e o sinal de modulação é fornecido de forma sincrona com o sinal de aquisição (média de sinais) . De um modo preferido a modulação-sinal e a aquisição de sinal é gerada a partir de uma placa 93 de aquisição de dados para PC, e o sinal está convenientemente disponível para mais análises de dados. Uma mudança do coeficiente de reflexão é observado à medida que a frequência perscrutada ao longo da ressonância magnética. O sinal de reflexão é amplificado pelo LNA 89 e alimentado ao misturador 87. Ajustando o comprimento dos cabos pode ser escolhida uma absorção ou dispersão de sinal. A largura da banda das bobinas 95 MR produz ela própria uma linha de base parabólica, que tem que ser subtraída do sinal. A linha de base pode ser obtida antes da introdução da amostra ou pode ser ajustada com uma função polinomial (ou uma função curva) fora das regiões de sinal. A largura de banda da bobina pode ser ajustada para um desempenho óptimo de várias maneiras, e. g. amortecimento resistivo, sobreacoplamento que origina um melhor resultado, ou, de um modo preferido, por carregamento activo das bobinas 95 com o LNA 89. A largura de banda natural de uma bobina sintonizada neste regime de frequência é de várias centenas de Hz, proporcionando uma largura de banda insuficiente para a maioria das aplicações. O amortecimento resistivo aumenta a largura de banda útil até um grau aceitável. Contudo, isto compromete a razão sinal-ruído na raiz quadrada do aumento. Isto é aceitável em alguma extensão uma vez que a amplitude e a fase-ruído do VCO determina frequentemente a razão sinal-ruído. O campo magnético pode ser qualquer um, desde poucos mT até muitos 26 T, dependendo da razão giromagnética do spin (rotação) e da frequência do VCO 81.

Tal como é claro para um especialista na matéria num método de acordo com a presente invenção a presença de um forte campo magnético e, opcionalmente, uma temperatura de solvente elevada/optimizada, agitação e uma amostra sólida finamente dividida, minimizam a perda de polarização durante a dissolução. A quantidade de polarização retida durante a dissolução de qualquer material sólido polarizado particular depende, entre outros, dos seguintes factores: a composição do material polarizado, a forma e dimensão do material (e. g. quer esteja sob a forma de esferas, pó, partículas ou esteja presente como uma massa sólida) o solvente utilizado para o dissolver, a temperatura do solvente, a velocidade de dissolução, o campo magnético em que a dissolução ocorre. Ao optimizar estes factores para cada material, a perda de polarização pode tornar-se negligenciável. As condições óptimas para dissolver uma amostra ao mesmo tempo que se retém um elevado nivel de polarização podem ser facilmente verificadas experimentalmente. Os resultados experimentais seguintes mostram os resultados da variação do tempo tomado para dissolver a amostra, permanecendo todas as outras variáveis imutáveis: dissolução de esferas de 1 mm de diâmetro de HP001 (l-hidroximetil-l-13C-ciclopropil)-metanol, lubrificado com 15 mM de 0X063, em D2O, a uma temperatura de 360K, num período de 3s, num campo magnético de 3,35 T, resultou numa perda de polarização de menos de 10%. A dissolução da mesma substância durante 8 s resultou numa perda de polarização de 69%. Ao realizar a dissolução da mesma substância em 12 s provocou-se uma perda de polarização de 97%. Estes resultados eram reprodutíveis e permitiam que fosse estimado o grau de polarização perdida durante a dissolução com 27 diferentes velocidades. Deste modo, estes resultados mostram que a dissolução de HP001 em 12 segundos conduz a uma perda de polarização inferior a 99% (na verdade 97%), a dissolução de HP001 em 8 segundos conduz a uma perda de polarização de menos do que 90% (na verdade 69%) e a dissolução de HP001 em 3 s provoca uma perda de polarização inferior a 10%. Uma dissolução mais rápida, por exemplo, conseguida com mais agitação ou uma temperatura superior de solvente, conduz a perdas ainda menores na polarização entre os estados sólido e liquido.

As formas de realização atrás mencionadas pretendem ilustrar a presente invenção e não tencionam limitar o âmbito da protecção reivindicada pelas reivindicações seguintes.

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Claims (12)

1. REIVINDICAÇÕES 1. Dispositivo para dissolver um material sólido polarizado em que o referido dispositivo compreende um criostato (2) capaz de receber um recipiente (9) de recepção de amostra para reter uma amostra de material sólido polarizável, meios (3) de polarização nuclear dinâmica compreendendo meios (5) de produção de campo magnético, uma fonte (3c) de microondas, um guia de ondas (3b) e uma câmara (3a) de microondas posicionáveis dentro do referido criostato (2) e adaptados para a polarização de spin nuclear de material sólido polarizável no referido recipiente de retenção de amostra, caracterizado por o referido dispositivo compreender um meio para guiar um solvente (11, 16; 11, 13) para o referido recipiente (9) de recepção de amostra para dissolução do material polarizado enquanto o referido recipiente (9) de recepção de amostra está dentro do referido criostato e no forte campo magnético do referido meio (5) de produção de campo magnético.
2. 2. Dispositivo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por este compreender um meio para extrair e transportar o material polarizado dissolvido de um recipiente (9) de recepção de amostra para uma unidade (15) de dissolução de material polarizado disposta fora do criostato (2).
3. 3. Dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado por o recipiente (9) de recepção de amostra compreender um meio de mistura, remeximento ou agitação. 1
4. 4. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações 2 ou 3, caracterizado por a unidade (15) de dissolução de material polarizado compreender um meio de mistura, remeximento ou agitação.
5. 5. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado por este compreender bobinas (31-31'') para análise por ressonância magnética nuclear.
6. 6. Dispositivo de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado por o recipiente (9) de recepção de amostra ser um suporte múltiplo de amostras e de várias amostras de um material sólido polarizável poderem ser polarizadas de uma vez ou sequencialmente.
7. 7. Método para produzir uma solução contendo um material polarizado dissolvido compreendendo os passos de: introdução de material sólido num recipiente (9) de recepção de amostra num criostato (2) de um dispositivo de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes; polarização do referido material dentro do referido criostato (2) do referido dispositivo; e guiar o solvente para dentro do referido recipiente de recepção de amostra e dissolver o referido material polarizado no referido recipiente (9) de recepção de amostra enquanto ainda dentro do referido criostato (2) do referido dispositivo. 2
8. 8. Método de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por o passo em que várias amostras polarizadas de um material polarizável são dissolvidas uma a uma ou pelo passo em que várias amostras polarizadas de material polarizável são simultaneamente dissolvidas.
9. 9. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8 caracterizado por a velocidade de dissolução ser ajustada de modo a que o material polarizado sólido é dissolvido em menos de 12 segundos.
10. 10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8 caracterizado por a velocidade de dissolução ser ajustada de modo a que o material polarizado sólido é dissolvido em menos de 8 segundos.
11. 11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 ou 8 caracterizado por a velocidade de dissolução ser ajustada de modo a que o material polarizado sólido seja dissolvido em menos de 3 segundos.
12. 12. Método de acordo com qualquer das reivindicações precedentes 7-11 em que é realizada a análise por RMN subsequente do material polarizado dissolvido. Lisboa, 6 de Novembro de 2006 3